非開挖水平定向鉆在海纜穿堤工程中的應用

宋礎

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335）

中國海上風電新增投產規模在2021年超過16GW，占到全球新增投產規模的87%。截至2021年末，中國海上風電累計投產裝機規模達到26.4GW，為全球最大的海上風電市場。一個完整的海上風電場一般由一定規模數量的風電機組和輸電系統構成。輸電系統中的海底電纜作為海上風電場工程的主動脈，聯系著整個風電場的心臟（海上升壓站）與指揮中樞（陸上集控中心），海纜敷設施工為海上風電場建設中的關鍵一環[1]。

海纜敷設環境較為復雜，海纜登陸段通常需要穿越海堤等構筑物。常用的穿堤方案有門架方案、破堤方案和非開挖水平定向鉆工法方案。門架方案是指海纜通過架空式門架過堤，該方案影響海岸線的外觀，地方政府批復難度較高；破堤方案是指海纜敷設于堤面護坡結構下過堤，該方案對堤防影響較大，需要破壞堤面護坡和防浪墻，海纜敷設完畢后還需要重新修復堤面結構，施工期會影響大堤的防洪安全及交通；非開挖水平定向鉆是指海纜通過水平定向鉆工法敷設于堤身以下一定深度范圍內，該方案對堤防基本沒有擾動，在做好防滲措施后基本不會對堤防產生影響，不影響堤防的防洪安全及正常運行[2-4]。

非開挖水平定向鉆方案在外觀影響、施工便捷性及工程造價等方面具有顯著的優勢，一般為海上風電場工程海纜敷設穿堤登陸的首選方案，本文對該方案的施工工藝、設計要點及穿堤防滲措施開展研究，為后續海纜登陸穿堤設計和施工提供技術參考。

1 施工工藝

穿堤使用水平定向鉆機進行管線穿越施工，一般分為二個階段：第一階段是按照設計曲線盡可能準確的鉆一個導向孔；第二階段是將導向孔進行擴孔，并將管線沿著擴大的導向孔回拖到導向孔中，完成管線穿越工作[5]。主要工序為：測量放線—→開挖工作坑—→導向孔施工—→擴孔—→管線回拖，施工方案如下：

（1）測量放線。測量前對全站儀、經緯儀、水準儀等測量儀器進行校定，儀器必須經校驗合格且在有效期內方可使用。測量放線，確定穿越距離和設計穿越線路，根據施工圖紙和有關資料，結合施工現場和鉆機的實際情況，確定拉管的距離，描繪出導向管的路線圖，圖中反映敷設管線的進、出土點位置、長度、深度和管線的形狀。

（2）開挖工作坑。根據管線出入土點位置開挖工作坑，堤內外工作坑附近各開挖一座泥漿處理池，使廢棄的泥漿流入處理池中，以保證處理結果達到環保要求。工作坑及泥漿池開挖土方就近堆在空地上，后期進行回填。

（3）設備就位。在工作井的前2m 處架機，安裝在管道軸線位置上，就位后將鉆機錨固好，調整機頭以達到一定的入土角度，以便導向開鉆。

（4）導向孔施工。開鉆前將探測儀的探頭置于導向鉆頭上，并測試探頭反射信號是否正常。將導向桿以設計入土角度入土開鉆，鉆孔過程中采用泥漿護壁工藝進行保護。入土深度達到設計管位中心高程時，導向桿沿管道軸線直走，直到接收井。在導向鉆孔過程中技術人員根據所測獲得鉆頭的角度、深度等數據，判斷鉆孔位置與鉆進路線圖的偏差，再向鉆機操作人員進行調整，及時記錄好導向數據。

（5）擴孔。導向鉆孔由工作井鉆入接收井后，卸下導向鉆頭，換上回擴頭進行回拉擴孔。擴孔宜采用分級、多次擴孔方式進行。

（6）回拖。保護管接上回擴頭，將保護管拖入孔中，保護管回拖就位后，由預先穿在管內的鋼絲牽引海纜穿管，海纜敷設完成。海纜保護管回拖與最后一級擴孔同步進行，以減少因鉆孔暴露時間過長而引起孔壁坍塌的風險。

2 設計要點

穿越路線的設計需要綜合考慮地質條件、水文條件以及區域環境等因素。非開挖水平定向鉆適用于中硬－硬質黏土和淤泥、硬黏土和強風化泥頁巖、中－致密砂層及風化巖層或強膠結地層。

穿越曲線由斜直線段、曲線段、水平直線段構成，首末端斜直線段要求不小于10m。穿越曲線設計時根據入、出土點的位置以及入、出土角畫斜直線，以最小曲率半徑作相切圓，與斜直線、水平直線相切連接。

圖1 敷設管線時導向孔軌跡示意圖

圖中，A——鉆進入土點；D——鉆進出土點；B——管線水平段起點；C——管線水平段終點；α1/α2——管線入/出土角（°）；H——管線埋深（m）；R1/R2管線入/出土時的彎曲半徑（m）；L1/L2——管線入/出土斜段投影的長度（m）;L——管線水平直線段長度（m）。

表1 出入土角、曲率半徑規范取值

具體設計時需與施工單位溝通并綜合上述規范建議出、入土角按照8～12°設計。

管道直徑大于250mm，或地質為中砂、粗砂、砂礫土時，宜多級擴孔。擴孔施工應根據敷設管線的管徑、地層條件、設備能力，分一次或幾次逐級擴孔。當敷設管線的直徑為200mm～800mm 時，根據現場地質條件﹑管線種類及入土角度，擴孔的直徑應控制在設計管線直徑的1.2～1.5 倍。其它管徑應根據現場因素，將擴孔直徑控制在合理范圍內。對管道運行沉降控制要求較高時，擴孔倍數宜取低值。

管道回拖力計算應按照《管線定向鉆進技術規范》DG/T J08-2075-2010 和《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設計規范》SY/T 6968-2021 相關規定，并應滿足設備安全回拉力小于70%設備額定回拉力。

3 穿堤防滲措施

非開挖水平定向鉆工法在海上風電場海纜穿越應用中存在諸多滲漏風險點[9]。海纜本身與海纜保護管內壁存在空隙，若封堵不及時，海水進入保護管內在堤內外形成一個連通器，直接將海水沿著保護管內壁倒灌入堤內。此外，回拖完畢泥漿固結后與保護管若存在接觸間隙，海水沿著保護管外壁的接觸間隙有可能發生滲漏。因此，防滲措施是非開挖水平定向鉆穿堤施工設計需考慮的關鍵環節。結合前期施工設計經驗，常用的穿堤施工防滲措施有：

（1）施工時鉆進泥漿通過泥漿泵泵入擴孔內，其泵送壓力大于堤身水頭差，滲透風險小。

（2）在電纜保護管敷設時同時附帶二根高壓注漿管，敷設前在注漿管中間段每隔一定距離開小孔，并在防滲墻交越段增開小孔，控制注漿壓力在0.2～0.5MPa，進行高壓注漿。高壓注漿漿液可增加管道之間由于管道施工擾動土體的防滲性能，是沿管外壁防滲措施的加強。

（3）作為沿電纜保護管外壁防滲的雙重保護措施，為加大滲徑，垂直穿堤保護管在堤防內側坡腳設置高壓旋噴樁防滲墻，防滲墻在保護管兩側各向外延伸一段距離。

（4）在電纜保護管兩端出、入口處填充相應的止水材料進行防水。

（5）電纜穿堤后進入電纜轉換井，電纜轉換井內設置一道隔墻，作為沿保護管內壁防滲的雙重保護措施。

（6）拖管結束后，鉆孔及管線外壁間隙必須采取注漿加固措施。

（7）非定向鉆海纜穿堤施工完畢后，海纜穿管前，需對海纜保護管的出入口進行完全焊接封堵，確保使用前完全密封，待敷纜時在切割至設計泥面進行穿管。

4 總結

非開挖水平定向鉆工法在海纜穿堤工程中具有顯著優勢，本文從非開挖水平定向鉆工法施工工藝流程、設計要點及穿堤防滲措施入手，全面研究總結該工法的關鍵技術，凝練如下結論，供從業人員參考：

（1）海纜穿堤使用水平定向鉆機進行管線穿越時可分導向孔施工和擴孔及回拖兩階段實施。

（2）穿越路線的設計需要綜合考慮地質條件、水文條件以及區域環境等因素。出入土角、曲率半徑及管道回拖力計算可參照《管線定向鉆進技術規范》DG/T J08-2075-2010 和《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設計規范》SY/T 6968-2021 相關規定。

（3）非開挖水平定向鉆工法在海上風電場海纜穿越應用中存在諸多滲漏風險點。可通過控制泵送壓力、設置高壓旋噴樁防滲墻電纜端口填充止水材料及焊接封堵等措施降低海纜穿堤滲漏風險點。